基于接觸熱阻的主軸熱特性有限元分析

第25卷第2期機電工程Vol. 25 No. 22008年2月MECHANICAL ELECTRICAL ENGINEERING MAGAZINEFeb.2008基于接觸熱阻的主軸熱特性有限元分析曹駿,胡佩俊,應濟(浙江大學(xué)現代制造研究所,浙江杭州310027)摘要:在考慮了軸承、主軸和箱體接觸區域的接觸熱阻影響的基礎上,利用大型有限元分析軟件ANSYS對某型號機床的主軸系統進(jìn)行了溫度場(chǎng)建模,并綜合分析了整個(gè)系統的熱態(tài)特性。論述了熱源和邊界條件等因素的計算方法,考慮了以往建模時(shí)較少考慮的接觸熱阻因素,對模型在有、無(wú)熱阻兩種情況下進(jìn)行了分析、對比。對比結果表明,接觸熱阻對系統的影響是顯著(zhù)的,對于精密機床的研究,建模時(shí)不應忽略這一重要因素。關(guān)鍵詞:接觸熱阻;有限元分析;熱特性中圖分類(lèi)號:TG502.15文獻標識碼:A文章編號:1001-4551(2008)02-0020-03Finite element analysis of spindle thermal character based on thermal contact resistanceCAO Jun, HU Pei-jun, YING JiManufacturing Research Center, Zhejiang University, hangzhou 310027, China)Abstract: Considering the influence of thermal contact resistance at the contact area of bearing, spindle and headstock,athermal model of machine tool spindle system was built and its thermal characters were analyzed synthetically in ANSYS. Thecalculation methods of heat source and boundary conditions were discussed, and the model was anlyzed and compared with orwithout thermal resistance, in terms of the factor of thermal contact resistance which is usually ignored. The result indicates thatthe influence of thermal contact resistance on the system is obvious. In the research of precision machinery, the factor has to beonsideredKey words: thermal contact resistance; finite element analysis(FEA); thermal character0前言特性分析上作了很多的嘗試和創(chuàng )新,試圖建立完善的計算模型以取得精確的結果。但是在這些研究中,大當前,隨著(zhù)制造業(yè)的發(fā)展,精密及超精密加工已經(jīng)多沒(méi)有考慮接觸熱阻對系統的影響,這種情況下得到成為各工業(yè)發(fā)達國家為加快經(jīng)濟發(fā)展采用的重要手段的計算結果無(wú)疑與實(shí)際值存在差距,因為未考慮熱阻之一,作為精密加工技術(shù)發(fā)展的重要指標之一,精密機條件下相當于兩接觸面間熱導為無(wú)窮大,根本沒(méi)有任床的開(kāi)發(fā)和制造一直受到各國學(xué)者的重視。在影響機何熱損失存在。本研究中將考慮接觸熱阻對模型結果床加工精度的因素中,溫升所帶來(lái)的熱變形是主要原的影響。因,約占整個(gè)加工誤差的40%-70%,而主軸系統在主軸系統中有很多的結合點(diǎn)處,例如軸承和主作為直接參與加工過(guò)程的重要部分,其精度將極大程軸的界面,軸承和軸承座,箱體和機體等。當熱流通過(guò)度地關(guān)系到加工質(zhì)量的好壞。因此,有必要對機床主兩相互接觸的表面時(shí),實(shí)際用來(lái)支撐機械載荷的面積軸系統的熱變形作深入的研究和分析。僅是理論接觸面積的一小部分(約為1/1000),而大本研究主要介紹基于接觸熱阻的主軸熱特性有限部分是通過(guò)實(shí)際接觸的離散接觸點(diǎn)實(shí)現的,這種由于元分析表面接觸不完全而導致熱流線(xiàn)收束、在交界面產(chǎn)生明1接觸熱阻計算顯的成的拉陽(yáng)被為接觸熱阻(如圖1所示)。中國煤化工性能中扮演著(zhù)很重要近年來(lái),也有不少學(xué)者在對主軸及主軸系統的熱的角CNMHG高精度加工技術(shù)方收稿日期:2007-08-01作者簡(jiǎn)介:曹駿(1983-),男,安徽宣城人,主要從事精密機械方面的研究。第2期曹駿.等:基于接觸熱阻的主軸熱特性有限元分析屢當>3.33×10-3m2·r/s2時(shí):M2=10f(tn)2d2(5)當2時(shí)M2=160×10%d(a)按觸表面形貌b)按觸面溫度降示意圖式(3)~式(5)中∫1一與軸承類(lèi)型和所受負荷有關(guān)的系數;P1一確定軸承摩擦力矩的計算負荷,f和p1皆圖1接觸熱阻的形成機理可以通過(guò)查閱資料獲得;dn一軸承中徑;n-軸承轉顯得尤為重要。速;-在工作溫度下潤滑劑的運動(dòng)粘度f(wàn)6-與軸承自前蘇聯(lián)科學(xué)家 Kapitza研究低溫下液氮和固體類(lèi)型和潤滑方式有關(guān)的常數。表面間的熱阻以來(lái),人們對固體表面間的接觸熱阻進(jìn)從上面的公式可以看出,軸承的生熱率與潤滑劑行了廣泛的研究。但是大部分研究都僅限于特定情況的流動(dòng)速度有關(guān),而隨著(zhù)溫度的升高潤滑劑的流動(dòng)速(如真空環(huán)境下、低溫環(huán)境下),而直接測量又并非輕度會(huì )降低,必將導致軸承生熱率的升高軸承的溫升曲而易舉,所以工程技術(shù)人員一直想探求一種易于使用線(xiàn),如圖2所示。的理論方法或者半經(jīng)驗方法。在文獻[2]中,通過(guò)實(shí)驗和有限元方法驗證了幾種接觸模型的比較,給出了接觸熱阻的近似計算公式:R,(1)+k2A2+k3A3式中h,表面粗糙度;A1、A2、A3一接觸面材料和間隙物質(zhì)的傳熱系數;k1、k2、k3一待定系數,由接觸面實(shí)際情況決定。2計算參數和邊界條件圖2軸承的溫升曲線(xiàn)本研究中的主軸系統主要由主軸、主軸箱、前后軸所以給定的軸承生熱率也不是常量,而是變量。承、軸承蓋等主要部件組成,在三維軟件Pro/E中建好(3)換熱系數的確定模型,然后導入 ANSYS9.0中,忽略模型中倒角等微采用怒謝爾特準則方程計算。在強迫對流條件下小結構。在 ANSYS9.0中建立有限元模型,整個(gè)模型當主軸以一定的轉速旋轉時(shí),與空氣間的對流換熱系擁有46932個(gè)實(shí)體單元對于模型的熱源和邊界條件數可按下式計算:的計算,大多按下面的半經(jīng)驗公式進(jìn)行(1)確定導熱系數。d對于主軸和箱體其導熱系數分別取5183W/(m式中a-零件表面與空氣間的對流換熱系數;kan℃)和46.81W/(m:℃)?？諝獾膶嵯禂?當對流換熱發(fā)生在圓柱表面時(shí),d(2)熱源計算。該柱面的直徑。對于主軸系統來(lái)說(shuō),主要熱源就是前后端的軸承,不同條件下,怒謝爾特數N可由雷諾數Re和普對于軸承發(fā)熱,有統一的計算公式“:朗特數Pr求得。在本研究條件下,怒謝爾特數N為:Hr=1.047×10nM(2)N.=0.133Re2Pr1(8)式中n一軸承轉速;M—軸承摩擦力矩。式中,Re<4.3×103,0.7